Transcript: Configurația electronică a elementelor din perioada a 4-a

In secția trecută am văzut care este configurația electronică a elementelor cu numărul atomic Z mai mic sau egal cu 18, adică a elementelor din primele trei perioade ale tabelului periodic.
Până acum am observat că elementele chimice care au electronul distintiv în substraturi ce conțin orbitalii S sunt așezate în această zonă a tabelului periodic.
Acesta se numește blocul S al elementelor. Heliul are și el electronul distintiv într-un orbital S însă este o excepție fiind plasat aici datorită stabilității sale chimice și a proprietăților similare cu proprietățile acestor elemente care se mai numesc și gaze rare.
Elementele chimice care au electronul distintiv în substraturi ce conțin orbitalii P sunt grupate în această zonă. Acesta se numește blocul P al elementelor.
Vedem în tabelul periodic că după ce s-a completat substratul 3P și se încheie perioada a treia cu elementul argon, urmează două elemente din blocul S care vor completa substratul 4S. Este vorba de potasiu și calciu.
Haideți să scriem configurația electronică a potasiului. Potasiul are 19 electroni în belișul său electronic și următoarea configurație. 1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P6 și 4S1.
Așadar, vedem că, din punct de vedere al nivelului energetic al substraturilor, ordinea de ocupare a orbitalilor cu electroni este următoarea.
1S, 2S, 2P, 3S, 3P. Până aici sunt elementele chimice din perioadele 1, 2 și 3.
Apoi, conform diagrame energetice, vedem că următorul substrat care se va ocupa cu electroni este 4S, iar după substratul 4S urmează substratul 3D.
Abia după ocuparea celor 5 orbitali 3D, se vor completa și orbitalii 4P.
Asta se întâmplă deoarece orbitalii 3D se află într-un nivel energetic mai ridicat decât 4S, deși orbitalii 3D se află în stratul 3, iar orbitalii 4S se află în stratul 4.
Deci, de la orbitalii 4S și până la 4P, avem elementele din perioada a patra.
Această discontinuitate între nivelurile energetice, așa cum este cazul substraturilor 4S și 3D, are și o posibilă explicație.
Nu e neapărat o explicație foarte precisă, pentru că odată ce ajungem la nivelul subatomic, deja ar trebui să vorbim despre fizică cuantică ca să înțelegem exact ce se întâmplă acolo.
Dar, cu siguranță, ne va ajuta să ne imaginăm că, pe măsură ce atomul devine din ce în ce mai mare odată cu fiecare strat energetic ocupat, cu atât rămân mai multe spații într-orbitalii ocupați anteriori.
De exemplu, acesta ar fi orbitalul 1S, primul nivel energetic, cu nucleul foarte mic acolo în mijloc, apoi al doilea nivel energetic, cu substraturile 2S și 2P, și avem cei trei orbitali P pe direcția celor trei axe de coordonate x, y și z.
Următorii electroni vor ocupa orbitalul 3S și apoi orbitalii 3P, care au tot formă bilobară, însă în secțiune i-am vedea cam așa.
După aceasta urmează orbitalul 4S.
După ocuparea orbitalului 4S, ne întoarcem la aceste spații rămase care se completează cu orbitalii 3D.
Deci, orbitalul 4S se află pe un nivel energetic mai jos decât orbitalii 3D, deoarece electronii trebuie să cheltuiască mai multă energie ca să se înghesuie acolo în zonele unde se află orbitalii 3D.
Însă, odată ce s-au completat cei cinci orbitali 3D, nivelul de energie imediat următor este substratul 4P.
După cum am zis, este o explicație posibilă care mai degrabă ne ajută să vizualizăm ce se întâmplă acolo și să reținem mai ușor faptul că ordinea de ocupare a orbitalilor în cazul elementelor din perioada a patra este 4S, 3D și 4P.
Haideți să mai luăm un exemplu din perioada a patra și anume calciu. Acesta are 20 de electroni în învelișuri electronice.
Configurația electronică este următoarea. 1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P6 și 4S2.
Aceasta este configurația argonului. Deci, mai putem scrie configurația calciului și, în acest fel, argonul între paranteze pătrate, care înseamnă configurația argonului, și 4S2.
După calciu, în tabelul periodic urmează scandiul cu 21 de electroni. Ordinea a ocupării orbitalilor scandiului este următoarea.
1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P6, 4S2 și 3D1.
Deci, abia după ocuparea substratului 4S începe și ocuparea substratului 3D. Sau, mai pe scurt, putem să scriem configurația argonului 4S2, 3D1.
Deci, electronul distinctiv se află într-un orbital 3D.
Este foarte important să facem distinția dintre ordinea de ocupare orbitalilor cu electroni, care este aceasta, și configurația electronică, care în cazul scandiului este următoarea, configurația argonului 3D1, 4S2.
La scrierea configurației electronice se așează orbitalii ocupați cu electroni din fiecare strat în ordinea crescătoare a numărului stratului N din care fac parte.
Asta ne ajută să facem distinția dintre electronii de valență și electronul distinctiv.
Electronul distinctiv este ultimul electron care ocupa un orbital din înveliștiul electronic.
Electronii de valență sunt electronii aflați în stratul cel mai din afară, cel mai îndepărtat de nucleu, strat care se numește strat exterior.
Electronii de valență reacționează cu electronii altor elemente, pentru că ei sunt electronii care au o probabilitate mai mare de a fi mai departe de nucleu, deci le e mai ușor să interacționeze cu alte elemente.
Așadar, în cazul Scandiului, electronii de valență sunt cei doi electroni din substratul 4s, iar electronul distinctiv este electronul din substratul 3d și este ultimul care a ocupat un orbital.
Cele 10 elemente de la Scandiul a zinc, la care electronul distinctiv intră într-un orbital 3d, formează prima serie de elemente tranziționale de tip d, deci prima serie de elemente din blocul d.
Existența celorlalte serii de elemente tranziționale de tip d se datorează completării substraturilor 4d, respectiv 5d.
Haideți să vedem cât electron de valență are elementul brom din blocul p, perioada 4a.
Bromul are în înveliș 35 de electroni.
Ordinea de completare a orbitalilor cu electroni este următoarea 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10 și 4p5.
Iar configurația electronică a bromului este următoarea, să o scriem mai pe scurt, configurația argonului 3d10, 4s2, 4p5.
Deci vedem că bromul are 7 electroni de valență, care se găsesc în ultimul nivel ocupat.
De asemenea, vedem că electronul distinctiv se află într-un orbital de tip p, deci, după cum am spus mai devreme, bromul face parte din blocul p.
Haideți să revenim la elementele din blocul d.
În cazul atomilor unor elemente tranziționale, s-au constatat anumite excepții în ceea ce privește configurația electronică.
Este vorba de elementele crom și cupru.
Cromul are 24 de electroni în înveliș și următoarea ordine de ocupare cu electroni, până la 18 electroni, are configurația argonului.
Apoi știm că ordinea de ocupare ar trebui să fie 4s2, 3d4.
Însă s-a constatat că un electron din stratul exterior, 4s, sare pe un substrat interior apropiat, adică ordinea de ocupare reală a cromului este 4s1, 3d5.
Sau putem face și reprezentarea schematică, configurația argonului, substratul 4s cu un singur electron și cei 5 orbitali din substratul 3d, fiecare cu câte un singur electron.
Astfel s-a dovedit că pe lângă cele trei reguli precizate anteriori de care trebuie să ținem seama la realizarea configurațiilor electronice, mai există și o a patra regulă,
și anume, nivelurile energetice complet ocupate cu electroni, așa cum sunt p6, d10, f14, și nivelurile energetice semi-ocupate, precum d5 sau f7, au stabilitate mai mare și sunt preferate de atomi
Dar configurația electronică corectă a cromului este configurația argonului, 3d5, 4s1.
Să vedem ce se întâmplă și în cazul cuprului, cealaltă excepție din perioada a patra.
Cuprul are 29 de electroni în învelișul electronic, deci ordinea de ocupare va fi următoarea, argon, 4s2 și 3d9.
Dar amintindu-ne ultima regulă, cea care spune că substraturile ocupate sau cele semi-ocupate sunt mult mai stabile, ne dăm seama că atomul de cuprul nu are 9 electroni în substratul 3d, ci 10 electroni, 3d devenind astfel un substrat complet ocupat.
Deci configurația cuprului este următoarea, configurația argonului, 3d10, 4s1.
Așadar, după aceste două lecții, putem scrie configurația electronică a atomului unui element, cunoscându-i doar numărul atomic Z și respectând cele patru reguli sau principii de ocupare cu electronii a orbitalilor din învelișul electronic.
În lecțiile viitoare vom vedea cât de mult ne ajută cunoașterea configurației pentru a ști poziția unui element în tabelul periodic și pentru a înțelege proprietățile elementelor chimice.